光纤光栅压力传感器的理论建模及实验研究

鉴于压力传感器为工业生产中压力监控的一种必不可少的设备,分析了光纤光栅中心波长与光纤光栅应变之间的关系,阐述了带有硬中心的圆形膜片受到均匀压之后,膜片中心的挠度与压力之间的数学关系。在此基础上设计了圆形膜片作为流体压力转化光纤光栅敏感物理量的元件,并结合辅助元件完成对光纤光栅传感器组装,建立了传感器输入输出之间的线性数学模型。通过实验验证传感器线性度和重复性,运用数学计算得出了光纤光栅压力传感器各项参数,灵敏度Km=-0.658 nm/MPa,初始波长0=1 578.441 nm,为后期传感器稳定性作好了铺垫。     

双三角形结构的光纤光栅压力和温度双参量传感器

为解决压力和温度同时测量时的交叉敏感问题,提出一种基于双三角形悬臂梁结构的光纤光栅压力、温度双参量测量传感器. 在外界压力作用下,光纤布喇格光栅反射谱分裂成双峰结构,悬臂梁的应变调制传感光纤光栅双峰间距,温度变化转变成反射谱整体的移动. 实验结果表明该结构可实现单光栅双参量测量,且具有良好的线性和可重复性.     

光纤光栅式飞机驾驶杆杆力传感器研究

提出了一种基于光纤布喇格光栅的飞机驾驶杆力传感器.理论上讨论了飞机驾驶杆弹性元件力学特性和光纤布喇格光栅的应变传感特性,分析了飞机驾驶杆力传感器的灵敏特性.实验上通过测量不同外加载荷力作用下光纤光栅中心波长变化,研究了光纤光栅式飞机驾驶杆力传感器的传感响应特性.实验结果表明:光纤光栅中心波长漂移量和外加载荷力成线性关系,与理论分析吻合;传感器的横向与纵向灵敏度可以分别达到2.07pm.N-1和1.80pm.N-1,与数值模拟结果基本一致.     

基于弯曲伸张结构的光纤光栅传感研究

以民用工程结构如桥梁、大坝、高层建筑的健康检测为背景, 采用光纤光栅传感器实现对结构性能的实时监测和诊断, 及时发现结构的损伤以评估结构的安全性. 提出了一种可用于光纤光栅传感的新型弯曲伸张弹性敏感结构, 可实现对压力、应变以及加速度的准确测量. 对该结构弯梁腹部处的应变进行了理论分析和实验验证, 结果表明弯梁腹部处各点的应变与该弯曲伸张结构在竖直方向上所受压力、应变以及加速度大小成线性关系. 其最大的优点是同样灵敏度下体积小, 在井下等横向尺寸受限、又要测量纵向加速度的情况下, 梁式传感结构很可能无法使用, 该新型弯曲伸张型弹性敏感结构可作为弹性元件用于光纤光栅压力、应变、称重以及加速度传感器的设计.     

基于光纤光栅传感的模压腔内压强分布式测量

针对模压腔内压强分布式测量的需要,研制了等强度梁结构的光纤光栅压强传感器.该传感器的波长改变量与压强之间的线性度达到0.999 92.将六个研制的微型光纤光栅压强传感器镶嵌于模具内部,通过圆柱形刚性金属杆传递压力,实现了模压腔内部多点压强分布式测量,取得了很好的实验结果.实验研究了粉末状材料挤压成型过程中模压腔内压强的分布以及变化规律.     

动态匹配光栅解调传感系统温度补偿研究

采用一对辅助匹配光纤光栅,结合基于MAX1968EUI芯片闭环自动控制,设计了一种半导体小型温度控制系统.通过控制传感光栅反射峰值变化,使匹配光栅温度变化与传感光栅周围环境温度变化相匹配,实现了动态匹配光栅解调方案的应变测量系统温度补偿,消除了光纤光栅传感器温度、应变交叉敏感效应对传感系统测量应变的影响.解调系统同时采用一支微测力传感器作为解调系统的输出,消除了传统动态匹配光栅解调系统中压电陶瓷磁滞效应对测量结果的影响.实验结果表明,温度变化对系统应变测量影响误差小于2％,传感系统的线性优于0.999 5.     

非轴向力下埋入式光纤传感器应变传递分析

利用剪滞法建立了当光纤光栅传感器的轴线和基体主应力的方向成一定角度时,光纤光栅传感器的测量应变与基体结构实际应变之间的关系,进而得出了光纤光栅传感器的平均应变传递率的一般公式。采用裸光纤光栅传感器进行实验,在倾斜角度α为30.72°时,实验所得的波长变化之比分别为:0.727,0.738,0.746;理论计算所得的波长变化之比为0.739,相对误差都在2%以内。同时分析了埋设角度偏差对测量结果的影响。研究结果表明,非轴向力作用下光纤光栅传感器的应变与结构基体应变之间的传递关系与其在轴向力作用下存在明显的区别,埋设角度的偏差会给测量结果造成一定的误差。     

轮辐式光纤光栅压力传感器的设计与实现

利用光纤光栅作为基本传感元件，设计研制了一种基于轮辐式压力盒装置的新型光纤光栅压力传感器.常温下在0～30 KN的范围内，其测量线性度达到99.91%，灵敏度达到22 N，且响应速度快.与其它类型的光纤光栅压力传感器相比，轮辐式光纤光栅压力传感器具有更大的测量范围、更高的抗干扰能力，并且由于光纤光栅本身的波分复用特性，可以很方便地构成压力传感网络进行多种物理量、多点的测量.实验表明：本传感系统具有结构简单、操作方便、滞后小、重复性好、结构高度小、重量轻等优点，在桥梁、大厦等超大型建筑以及大型管道等的检测与监测方面将会有更为广阔的应用前景.     

光纤布拉格光栅的应变传感实验的研究

针对光纤布拉格光栅的应变特性进行了实验研究,利用计算机采集和处理数据.实验结果表明,Bragg波长随纵向应变的变化呈现出良好的线性,与理论分析结果一致;光栅的涂敷材料不会改变它的线性,但会引起光栅的应变灵敏度变化.     

一种监测钢筋腐蚀的光纤光栅传感器的研究

钢筋腐蚀是导致钢筋混凝土结构耐久性劣化的最重要因素之一。钢筋腐蚀将导致钢筋体积大大增加,混凝土保护层开裂、剥落,结构承载力下降,甚至倒塌。基于光纤布拉格光栅应变传感器的原理,根据钢筋腐蚀体积膨胀,提出了一种新的钢筋腐蚀光纤光栅传感器及温度补偿方法。传感器构造是在两根紧靠的钢筋中心附近粘贴光纤光栅,由于钢筋腐蚀体积膨胀,钢筋直径增加将转变成布拉格光纤光栅的应变,从而实现对钢筋腐蚀程度及速率的监测。传感器的监测原理是设置一个钢筋腐蚀光纤光栅传感器来监测由于钢筋腐蚀和温度变化引起的光栅应变,同时单独设置一个不锈钢光纤光栅传感器来测量温度引起的光栅应变。这两个光纤光栅传感器的应变监测,可分离出钢筋由于腐蚀所引起的体积变化。在混凝土结构中埋入封装的传感器,通过监测光纤光栅波长的漂移可以直接测量钢筋腐蚀程度,而且不受腐蚀因素的影响,可用于混凝土结构中钢筋腐蚀的早期监测。最后通过实验标定了钢筋腐蚀率与光栅波长位移的关系。     

基于多芯光纤级联布喇格光纤光栅的横向压力与温度同时测量

提出并制作了一种基于多芯光纤与单模光纤错位构成的马赫-曾德尔干涉仪,将其与光纤布喇格光栅级联,形成的全光纤传感系统可实现横向压力和温度双参量同时测量.马赫-曾德尔干涉仪是利用多芯光纤和单模光纤的模场不匹配而发生模间干涉,当外界横向压力直接作用在多芯光纤内部光场,干涉仪具有较高的灵敏度.实验结果表明:马赫-曾德尔干涉仪压力灵敏度为28.57nm/(N·mm~(-1)),线性度为0.997,而光纤布喇格光栅在一定范围内对压力变化不敏感;马赫-曾德干涉仪和光纤布喇格光栅对温度变化都具有较高的线性度,温度灵敏度分别为56.1pm/℃和11.3pm/℃.对于分辨率为0.02nm的光谱仪,传感器可实现的压力和温度测量分辨率分别为7.0×10~(-4)N/mm和0.03℃.马赫-曾德尔干涉仪的透射谱和光纤布拉光栅的谐振峰对横向压力和温度的变化有不同的光谱响应,利用光谱仪对传感器的透射谱实时监测,方便地实现了压力与温度双参量的测量.该传感器结构简单,灵敏度高,可用于不同领域的压力传感.     

High sensitivity fiber Bragg grating pressure difference sensor

Based on the effect of fiber Bragg grating (FBG) pressure difference sensitivity enhancement by encapsulating the FBG with uniform strength beam and metal bellows, a FBG pressure difference sensor is proposed, and its mechanism is also discussed. The relationship between Bragg wavelength and the pressure difference is derived, and the expression of the pressure difference sensitivity coefficient is also given. It is indicated that there is good linear relation between the Bragg wavelength shift and the pressure difference of the sensor. The theoretical and experimental pressure difference sensitivity coefficients are 38.67 and 37.6 nm/MPa, which are 12890 and 12533 times of that of the bare FBG, respectively. The pressure difference sensitivity and dynamic range can be easily changed by changing the size, Young's modulus, and Poisson's ratio of the beam and the bellows.     

基于平面膜片的光纤光栅传感研究

提出了一种基于平面膜片的光纤光栅压强传感器.讨论了该传感器反射谱展宽、峰值波长变化与压强之间的关系.指出将光纤光栅沿径向粘贴在膜片中心附近时,反射谱的峰值波长与压强之间具有良好的线性关系,可以通过检测峰值波长来检测压强.该传感器的压强响应灵敏度系数的实验值为0.3964 nm/MPa,是裸光纤光栅压强灵敏度系数的132.1倍.该传感器的灵敏度系数与压强测量范围可以通过改变膜片的尺寸、材料的弹性模量、泊松比等参量来调节.     

Pressure sensing utilizing linear cavity erbium-doped fiber laser

In this paper, we report a fiber laser pressure sensor based on linear cavity erbium-doped fiber laser. The fiber laser structure comprises of an erbium-doped fiber amplifier, a circulator, an optical coupler and a fiber Bragg grating (FBG) which acts simultaneously as a lasing wavelength selecting components as well as a pressure sensor. The FBG is fitted to the shock tube where the pressure is applied. The fiber laser pressure sensor has a low threshold power of 7 mW, an output power of 2.28 mW and an optical signal to noise ratio over 55 dB. The proposed fiber laser sensor is expected to be an attractive choice for long-distance pressure monitoring.     

基于封装光纤Bragg光栅传感器的混凝土应变监测试验研究

研究了光纤Bragg光栅封装工艺,提出并实现了两种封装光纤Bragg光栅传感器:工字型钢管封装光纤Bragg光栅应变传感器及钢管封装光纤Bragg温度传感器。研究了传感器的埋设工艺,采用金属丝固定法、钢管抽出法两种方法进行了埋设。将它们埋入到钢筋混凝土梁中,实现对混凝土的拉、压应变及温度的测量。结果显示,在试验梁弹性阶段,可以较为准确的监测混凝土应变。     

基于偶联剂技术的光纤光栅压力传感实验研究

报道了利用偶联技术封装光纤光栅压力传感器的新方案.通过采用特殊聚合物材料将光纤光栅封装于金属管中，并采用偶联材料分别与聚合物和光纤以化学键偶联的工艺，解决了由于有机弹性体聚合物的弹性模量（1.2×105 N/m2）与光纤光栅的弹性模量(7×1010 N/m2)相差很大，在压强较大时易导致光纤光栅与聚合物材料之间的撕裂滑脱问题，改善了光纤光栅压力响应特性.封装后的光纤光栅压力的线性测量范围为0.04 MPa~0.6 MPa，压力响应灵敏度为－4.48 nm/MPa，与裸光栅压力响应灵敏度－0.003063 nm/MPa相比，增敏了1463倍.利用实验中所使用光谱仪0.05 nm的分辨率，压强测量准确度为±0.01 MPa，线性度为0.9978.     

A linearity interrogation technique with enlarged dynamic range for fiber Bragg grating sensing

An exact linearity interrogation technique with enlarged dynamic range for fiber Bragg grating (FBG) sensor has been analyzed theoretically and demonstrated experimentally. The technique bases on two matched FBGs for receiving the reflected signal from the sensor FBG and two photodiodes (PDs) for collecting the reflected signal from the two receiver FBGs. The linear expression between the nature logarithm of the output ratio of the two PDs and Bragg wavelength of the sensor FBG is obtained on the condition that the bandwidths of the two receiver FBGs being equal to each other. The wavelength of the sensor FBG can be interrogated simply and accurately by the linearity technique according to the expression. In addition, a new tunable paralleled matched gratings interrogation scheme is proposed. The interrogation range can be enlarged and multiple FBG sensors can be interrogated simultaneously with the tunable interrogation scheme.     

温度不敏感光纤光栅压强传感器

提出了一种新颖的高灵敏度温度不敏感光纤光栅压强传感器。该传感器主要由开口环传感机构和铝箔管组成，根据光纤布拉格光栅带宽调谐原理，首次采用开口环机构和利用带宽编码技术，实现了温度不敏感压强感测。实验结果表明：该传感器在低压范围内具有很高的压强传感灵敏度系数，可达2.50×103nm/MPa，实验结果与理论分析基本相符。通过选择不同材料的开口环和铝箔管的材料以及改变其结构参数，可灵活设计并调节压强传感灵敏度系数及压强感测范围。     

新型高准确度光纤光栅压力传感系统

提出一种使用光纤双布喇格光栅测定压力的测量方法.在外界压力作用下，传感光纤布喇格光栅反射波长的漂移,被转变成在交变力策动下,发生弯曲的等强度悬臂梁调制扫描光栅反射光脉冲间隔的变化.实验结果表明，光纤布喇格光栅反射波长漂移的测量范围为0～3 nm，波长测量的不确定度为1 pm；压力传感器的量程为0～6 MPa时，压力的测量不确定度为0.005 Mpa.     

一种测量温度和流速的光纤光栅传感器

提出一种基于铝片的测量温度和流速的光纤布喇格光栅(FBG)传感器。采用一种耐高温胶将光纤布喇格光栅封装在一小铝片上，经过高温固化处理，可保持光纤光栅传感器的稳定性。通过-20℃～100℃温度实验，得到该传感器的温度灵敏度系数为0.0392nm/℃,是封装前的3.5倍，且传感器温度响应保持了很好的线性和重复性。从水温14.5℃时的流速实验中得到水流速在0～20m/s范围变化时，FBG峰值波长漂移了0.13nm,验证了此光纤光栅传感器测量流速的可行性。试验结果表明，该传感器既可以作为温度传感器，又可以作为流量传感器，并且制作简单，成本较低。